承德地震監(jiān)測中心站數(shù)字觀測儀器原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪圖APP研發(fā)

馬廣慶，張玉林，郭亞亞，魏婭玲

（1.河北省地震局，河北 石家莊050021；2.河北省地震局承德地震監(jiān)測中心站，河北 承德067000；3.四川省地震局，四川 成都610041）

目前，承德地震監(jiān)測中心站的形變、地磁觀測儀器已更新為數(shù)字化觀測儀，如承德、豐寧和寬城地震臺的VP型寬頻帶傾斜儀、FHD-2B質(zhì)子矢量磁力儀、SQ-70D數(shù)字水平擺、DSQ型水管傾斜儀和SS-Y型銦瓦棒伸縮儀等。使用者需要通過這些觀測儀器自帶的軟件（或儀器網(wǎng)址）才可以查看儀器記錄的原始數(shù)據(jù)，且操作過程繁瑣（張玉林等，2018）?；谏鲜鰡栴}，承德地震監(jiān)測中心站擬研發(fā)一個(gè)基于Windows界面的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠使承德地震監(jiān)測中心站所有觀測儀器記錄的原始數(shù)據(jù)可以通過一個(gè)Windows界面進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研發(fā)基于Andriod系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)，使原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看界面從計(jì)算機(jī)界面變更為手機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地均可查看儀器記錄數(shù)據(jù)的功能，為臺站儀器運(yùn)維遠(yuǎn)程監(jiān)控提供軟件支撐。

1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序需要并行獲取和顯示多臺儀器的記錄數(shù)據(jù)，因此需要并行調(diào)度各個(gè)并行的線程（程巖等，2010）。由于臺站觀測儀器分布在各處，不夠集中，為了臺站值守人員能夠更加方便地查看各個(gè)臺站儀器的運(yùn)行狀態(tài)，將各個(gè)分散網(wǎng)址的臺站觀測儀器數(shù)據(jù)進(jìn)行集中匯集，然后通過手機(jī)APP將分散的各個(gè)臺站觀測數(shù)據(jù)展現(xiàn)到手機(jī)界面中。該軟件采用C／S架構(gòu)設(shè)計(jì)：C端即客戶端（即手機(jī)APP），負(fù)責(zé)展現(xiàn)儀器數(shù)據(jù)；S端即服務(wù)端，負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)。服務(wù)端每一分鐘向各個(gè)儀器請求一次數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存起來，服務(wù)端會保存720分鐘（即12小時(shí)）的實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)。APP每分鐘向服務(wù)端請求指定儀器的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)以折線圖的形式展示。

手機(jī)APP不直接向儀器申請數(shù)據(jù)，其原因主要有三：一是儀器原因，為保證手機(jī)拿到的是最近12小時(shí)內(nèi)的數(shù)據(jù)，而不只是當(dāng)前或當(dāng)天的數(shù)據(jù)，不僅可以避免凌晨查看到的數(shù)據(jù)曲線過短，還可以避免有的儀器因只能查看當(dāng)前數(shù)據(jù)而導(dǎo)致手機(jī)APP需要等待很長時(shí)間才能看到波形圖；二是儀器有的時(shí)候會更新，手機(jī)APP也要隨著更新，這樣就需要將每個(gè)APP的用戶進(jìn)行更新，故采用服務(wù)端，只需要更新服務(wù)端，讓服務(wù)端與更新的儀器進(jìn)行適配就可以了；三是與APP的設(shè)計(jì)有關(guān)，可以僅通過服務(wù)端的修改而改變APP上儀器數(shù)據(jù)的展示方式。

1.1 服務(wù)器端

承德地震監(jiān)測中心站擁有14套觀測儀器，包括地磁絕對觀測FHD-2B儀器2套，VP型寬頻帶傾斜儀3套，SQ-70D水平擺觀測儀1套，DSQ型水管傾斜儀2套、SS-Y型銦瓦棒伸縮儀2套，TJ-II型體應(yīng)變儀1套和WYY-1＼RTP-II＼ZKGD-3000M型氣象三要素儀各1套，共計(jì)45個(gè)測項(xiàng)。儀器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 承德地震監(jiān)測中心站前兆儀器結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

儀器種類不同，數(shù)據(jù)來源也各不相同，這些儀器有的使用http協(xié)議在SVN內(nèi)網(wǎng)發(fā)布數(shù)據(jù)，如FHD-2B等，有的需要使用Socket發(fā)送指令后再接收數(shù)據(jù)，如豐寧臺SQ-70D水平擺傾斜儀。數(shù)據(jù)來源多樣，形式變化多樣，應(yīng)用程序需要不同命令來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)儀器的數(shù)據(jù)采集。利用http發(fā)布數(shù)據(jù)的儀器，應(yīng)用程序需要使用http協(xié)議與觀測儀器進(jìn)行通信，獲取儀器記錄數(shù)據(jù)，其主要過程是應(yīng)用程序向儀器地址發(fā)送索取數(shù)據(jù)的“請求”，接收儀器收到請求之后返回“響應(yīng)”和各種異常、錯(cuò)誤情況。利用tcp發(fā)布數(shù)據(jù)的儀器，應(yīng)用程序需要使用tcp協(xié)議與儀器建立Socket連接，通過Socket連接獲取數(shù)據(jù)，其主要過程是通過IP和端口與儀器建立連接，向儀器發(fā)送“請求”，接收儀器返回“響應(yīng)”和各種異常、錯(cuò)誤情況。儀器返回的數(shù)據(jù)都是混雜在通信協(xié)議各種表意符號中的，數(shù)據(jù)解析模塊可以將關(guān)注的數(shù)據(jù)解析出來。數(shù)據(jù)解析模塊分為兩個(gè)部分：處理html數(shù)據(jù)（即http協(xié)議返回的數(shù)據(jù)）和處理tcp協(xié)議返回?cái)?shù)據(jù)。

為了降低儀器之間的影響，例如一臺儀器通信出問題而影響其它儀器數(shù)據(jù)的接收，各數(shù)據(jù)模塊運(yùn)行于不同線程之中。通過數(shù)據(jù)鎖保證數(shù)據(jù)同步技術(shù)對系統(tǒng)性能造成較大影響，現(xiàn)代線程技術(shù)多采用Actor模型實(shí)現(xiàn)線程的調(diào)度，研究者利用這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)線程通過相互傳遞消息來完成調(diào)度，這個(gè)消息多是通過原子（程序設(shè)計(jì)上通過底層保證同一時(shí)刻只有一個(gè)線程能訪問的變量）來實(shí)現(xiàn)線程間的過渡。因此系統(tǒng)采用Channel技術(shù)來實(shí)現(xiàn)Actor模型，在無鎖情況下通過消息傳遞，把數(shù)據(jù)從一個(gè)線程傳到其它線程（秦虹，2014）。

服務(wù)端設(shè)計(jì)為多個(gè)線程協(xié)同工作的模式，具體分為主線程、UI線程、計(jì)時(shí)線程、服務(wù)線程和下載線程。主線程負(fù)責(zé)服務(wù)各部分的協(xié)同調(diào)度工作及產(chǎn)生各個(gè)工作。UI線程是負(fù)責(zé)服務(wù)界面顯示的，服務(wù)對于界面的需求不大，但考慮使用方便性，還是制作了一個(gè)界面。計(jì)時(shí)線程是為了每間隔一分鐘向各個(gè)儀器請求數(shù)據(jù)的計(jì)時(shí)而設(shè)計(jì)的。服務(wù)線程是提供響應(yīng)web請求的。下載線程是從各個(gè)儀器上下載數(shù)據(jù)信息的。當(dāng)主線程啟動(dòng)UI線程、計(jì)時(shí)線程和服務(wù)線程后，計(jì)時(shí)便開始了。然后主線程會每分鐘啟動(dòng)下載線程一次，每臺儀器運(yùn)行著一個(gè)下載線程。在下載線程中，數(shù)據(jù)從儀器中請求，并解析出其中的數(shù)據(jù)。解析出數(shù)據(jù)之后，下載線程通過Channel把數(shù)據(jù)傳遞給主線程，然后下載線程結(jié)束工作，直到下次再由主線程啟動(dòng)。主線程會把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給UI線程，UI線程顯示數(shù)據(jù)并保存數(shù)據(jù)。服務(wù)線程接到Web請求后，通過Channel向UI線程發(fā)消息，然后UI將所請求的數(shù)據(jù)回復(fù)給服務(wù)線程。線程之間通過Channel技術(shù)運(yùn)行數(shù)據(jù)交換。服務(wù)端保存著各個(gè)儀器720分鐘（即12個(gè)小時(shí)）的數(shù)據(jù)，這樣每次APP打開就能有完整的圖形出現(xiàn)。

1.2 手機(jī)APP客戶端

手機(jī)APP端模塊在Android開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)主要使用Java語言。在采集數(shù)據(jù)過程中，需要網(wǎng)絡(luò)模塊和數(shù)據(jù)解析模塊（彭宏偉等，2010）。APP能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航條、菜單、儀器切換等功能，通過嵌入瀏覽器控件，打開對應(yīng)的Web頁面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展現(xiàn)等功能，這種混合開發(fā)的技術(shù)路線也是目前軟件開發(fā)的主流選擇。

軟件展示數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)：WebView組件是專門用來瀏覽網(wǎng)頁的，在APP界面上添加WebView組件后，就可通過WebView的loadUrl方法來加載指定的網(wǎng)頁，同時(shí)將WebView的JavaScript的支持打開。通過：webview.getSettings（）.setJavaScriptEnabled（true）和webview.setWebChromeClient（new WebChromeClient（））這兩個(gè)函數(shù)來獲得WebView的JavaScript的支持。

前端繪圖主要使用Ajax技術(shù)和ECharts組件。Ajax即“Asynchronous Javascript And XML”（異步JavaScript和XML），是指一種創(chuàng)建交互式網(wǎng)頁應(yīng)用的網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)。Ajax在瀏覽器與Web服務(wù)器之間使用異步數(shù)據(jù)傳輸（HTTP請求），這樣就可使網(wǎng)頁從服務(wù)器請求少量的信息，而不是整個(gè)頁面。ECharts是一款由百度前端技術(shù)部開發(fā)的，基于Javascript的數(shù)據(jù)可視化圖表庫，提供直觀、生動(dòng)、可交互、可個(gè)性化定制的數(shù)據(jù)可視化圖表。前端頁面使用Ajax向儀器數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)數(shù)據(jù)請求，當(dāng)數(shù)據(jù)從儀器數(shù)據(jù)服務(wù)那里傳過來后，頁面再使用ECharts將其繪制到屏幕上。

2 程序主要代碼

2.1 服務(wù)器端主要代碼

數(shù)據(jù)下載／／使用http協(xié)議下：

void httpDownload（std：：string＆url，std：：string＆target，（void*）（parseFunc*）（std：：string＆body））；spawn httpDownload（＂http：／／儀器IP／html／DTSJ.HTM＂

接收下載信號，并分發(fā)下載到各個(gè)儀器的下載線程：

void downloadData（）；

數(shù)據(jù)流控制主要有兩方面工作：一方面是通過上面的下載函數(shù)，在下達(dá)下載命令時(shí)將各個(gè)儀器處理分開；另一方面是通過函數(shù)實(shí)現(xiàn)在UI無事件時(shí)執(zhí)行int idleActionCB（）函數(shù)。

2.2 基于Android系統(tǒng)APP客戶端主要代碼

對于手機(jī)軟件開發(fā)來說，大小各異的手機(jī)屏幕尺寸帶來的麻煩不少。Web技術(shù)屏幕適配方面比較復(fù)雜。本研究采用MediaQueries（屏幕自適應(yīng)）這種方法，在CSS中寫下不同屏幕下使用不同的CSS來實(shí)現(xiàn)屏幕適配，這個(gè)方式不但可以進(jìn)行字體的適配還能實(shí)現(xiàn)不同界面顯示不同的樣式，多個(gè)屏幕（600px-900px）自適應(yīng)代碼：＜link rel＝＂style sheet＂media＝＂screen and（min-width：600px）and（max-width：900px）＂href＝＂style.css＂type＝＂text／css＂／＞。用em和rem來代替px（像素點(diǎn)），em根據(jù)父標(biāo)簽的字體大小來設(shè)置當(dāng)前標(biāo)簽的寬高或字體大小，rem是根據(jù)跟標(biāo)簽的字體大小來適配當(dāng)前標(biāo)簽的寬高或字體大小，多用百分比來作為寬高的值。

3 效果圖展示

系統(tǒng)以Windows64位系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸與存儲。系統(tǒng)軟件目前已經(jīng)在承德地震監(jiān)測中心站三個(gè)直屬臺站（寬城、豐寧、承德）投入使用，運(yùn)行狀態(tài)良好，在河北省地震局無線內(nèi)網(wǎng)范圍內(nèi)可以隨時(shí)隨地查看原始數(shù)據(jù)運(yùn)行狀態(tài)。該系統(tǒng)由基于Windows系統(tǒng)服務(wù)器端與基于Android系統(tǒng)APP端兩部分組成。服務(wù)器端提供整個(gè)承德地震監(jiān)測中心站的所有數(shù)字化儀器原始數(shù)據(jù)采集、傳輸與存儲。手機(jī)APP端可根據(jù)臺站需要，生成三個(gè)直屬臺的手機(jī)APP軟件，每個(gè)臺值班員工安裝本臺相應(yīng)的手機(jī)APP軟件，便可以在本單位內(nèi)網(wǎng)范圍內(nèi)隨時(shí)，隨地查看12小時(shí)內(nèi)的原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控曲線。服務(wù)器端運(yùn)行效果如圖2所示。手機(jī)客戶端運(yùn)行效果如圖3所示。

圖2 基于Windows系統(tǒng)服務(wù)器端運(yùn)行效果

圖3 手機(jī)端儀器切換與部分原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控曲線

4 結(jié)論

本研究采用C／S架構(gòu)，利用Java語言進(jìn)行程序研發(fā)，以分為時(shí)間單位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用channel技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)流向控制，服務(wù)器端顯示實(shí)時(shí)原始數(shù)據(jù)的同時(shí)保存12小時(shí)內(nèi)的原始數(shù)據(jù)，在手機(jī)APP端采用數(shù)據(jù)瀏覽器，可以隨時(shí)瀏覽原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線，目前已投入使用，系統(tǒng)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）可以在內(nèi)網(wǎng)覆蓋的范圍內(nèi)隨時(shí)瀏覽本臺儀器原始數(shù)據(jù)觀測曲線及原始數(shù)據(jù)變化范圍。2）手機(jī)客戶端可以自由切換儀器類型，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，更好地展示12小時(shí)內(nèi)原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。3）軟件設(shè)計(jì)過程中，沒有設(shè)計(jì)觀測曲線放縮功能，但在旋轉(zhuǎn)屏幕時(shí)，可以看到更好的曲線形態(tài)，缺點(diǎn)是截取完整的圖片比較困難。

軟件只能用于原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，不能對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，伴隨首都圈安全保障力度加大，原始數(shù)據(jù)需要隨時(shí)轉(zhuǎn)換以應(yīng)用于分析會商，因此開發(fā)帶數(shù)據(jù)預(yù)處理的原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是未來發(fā)展的方向。